WO2023213446A1 - Elektrolyseanlage und anlagenverbund umfassend eine elektrolyseanlage und eine erneuerbare-energien-anlage - Google Patents

Elektrolyseanlage und anlagenverbund umfassend eine elektrolyseanlage und eine erneuerbare-energien-anlage Download PDF

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WO2023213446A1
WO2023213446A1 PCT/EP2023/051411 EP2023051411W WO2023213446A1 WO 2023213446 A1 WO2023213446 A1 WO 2023213446A1 EP 2023051411 W EP2023051411 W EP 2023051411W WO 2023213446 A1 WO2023213446 A1 WO 2023213446A1
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electrolysis
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direct current
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transformer
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PCT/EP2023/051411
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Sven Schumann
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Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin

Definitions

  • Electrolysis system and system network comprising an electrolysis system and a renewable energy system
  • the invention relates to an electrolysis system comprising an electrolyzer and a circuit arrangement.
  • the invention further relates to a system network comprising an electrolysis system and a renewable energy system connected to the electrolysis system.
  • An electrolysis system is a device that uses electrical current to convert substances (electrolysis).
  • electrolysis electrolysis
  • electrolysis systems such as an electrolysis system for water electrolysis.
  • a valuable material can in particular be hydrogen, which is produced by water electrolysis systems.
  • renewable energy gas - also known as renewable energy gas - can be produced based on hydrogen.
  • An EE gas is a combustible gas that is obtained using electrical energy from renewable sources.
  • Hydrogen represents a particularly environmentally friendly and sustainable energy source. It has the unique potential to realize energy systems, transport and large parts of chemistry without C02 emissions. For this to be successful, the hydrogen must not come from fossil sources, but must be produced with the help of renewable energy. At least a growing proportion of the electricity generated from renewable sources is now fed into the public power grid. This means that a corresponding proportion of green hydrogen can be generated depending on the electricity mix if an electrolysis system is operated with electricity from the public grid.
  • the direct current is primarily provided via mains-commutated rectifiers.
  • mains-commutated rectifiers During this rectification of a network-side alternating voltage, harmonics can arise due to the way the rectifiers work, which can put a strain on the alternating current network and/or the direct current network.
  • the electrolysis system has a circuit arrangement which includes four coil arrangements and four rectifiers.
  • the first coils of the coil arrangements are each connected to the DC voltage side of one of the rectifiers.
  • the circuit arrangement further comprises two transformers, each of which has a primary winding and two secondary windings.
  • the primary windings of the transformers are connected to the power grid, e.g. B. a medium-voltage network or a high-voltage network.
  • Hydrogen is very suitable as a transport medium and energy source. This can be transported in gaseous form through pipelines, for example.
  • a positive side aspect here is that a hydrogen-carrying pipeline can simultaneously fulfill the function of an energy storage device, since the internal pressure can be varied within certain limits.
  • Such concepts have also been proposed for the mainland, whereby the electricity from onshore wind turbines or photovoltaic systems can be used directly to produce hydrogen, at least in part, through a direct connection to and feeding into an electrolysis plant.
  • the electrolysis system is part of an island network.
  • the electrolysis electricity is not drawn from the public grid, but is supplied directly from a wind turbine or a PV system and fed into an electrolyzer in the electrolysis system.
  • the electrical energy generated by a wind turbine or a PV system can possibly be temporarily stored, for example in a battery.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an electrolysis system by means of which electricity from a renewable source can be fed directly and without disruption into the electrolysis system.
  • an electrolysis system comprising an electrolyzer and a circuit arrangement which has an input for connection to an external direct current source and an output which is connected to the electrolyser, the circuit arrangement having a transformer to which an inverter and A rectifier is connected on the secondary side, so that a direct current can be supplied to the electrolyzer.
  • the invention is based on the knowledge that electrolysis systems, in particular the PEM water electrolysis cells of the electrolyzer, are very sensitive to high-frequency electrical stray currents. These stray currents can couple into the electrolysis system via earth connections or earth faults. Through necessary system components such as process technology, gas separators, auxiliary systems, water-carrying supply lines, etc.
  • the connection to the earth is inadequate on the electrolysis side (earth fault or ground loop).
  • it is therefore important to avoid that current paths can close via the earth i.e. a ground fault or ground loop is formed.
  • the coupling of electromagnetic interference fields should be avoided as far as possible or at least the interference should be reduced. This problem is particularly pronounced in the case of a direct Connection of an electrolysis system to a DC power source, which is provided by a photovoltaic system or a wind turbine.
  • IGBTs In a so-called three-phase B6 bridge circuit with an IGBT-based rectifier, very precise control of the electrolysis current with good rectification is achieved.
  • the striking advantages of IGBTs are the high voltage and current limits: voltages of up to 6500 V and currents of up to 3600 A with an output of up to 100 MW, which makes IGBTs ideal for use in electrolysis plants.
  • an AC intermediate circuit is provided in an electrolysis system by the circuit arrangement, which provides galvanic decoupling between an external direct current source and the electrolyzer.
  • the inverter converts the direct voltage from the external direct current source into an alternating voltage, which is coupled to the transformer on the primary side.
  • a rectifier is connected to the secondary side of the transformer, which ensures the conversion back into a direct voltage, namely on one for electrolysis desired and predetermined voltage or Current levels.
  • the circuit arrangement is therefore particularly advantageously designed as an AC intermediate circuit and designed for the provision of direct current through an external direct current source to supply the electrolyzer with electrolysis current. This is done through direct coupling or Direct connection of the input to an external DC power source.
  • a wind turbine or a photovoltaic system can advantageously be connected to the electrolysis system as an external direct current source, each of which can be advantageously designed to be independent of the grid in a so-called island operation for both offshore and onshore applications.
  • the external direct current source can be connected directly and directly via the input of the circuit arrangement, so that a direct current supply to the electrolyzer is achieved. Due to the galvanic isolation and decoupling via the AC intermediate circuit, the circuit arrangement reliably avoids damaging interference of high-frequency stray currents and thus earth fault currents and unwanted voltage losses in the electrolyzer. At the same time, a simple and reliable direct connection of the electrolysis system to a renewable energy generation system can be achieved and grid-independent operation is possible.
  • the AC intermediate circuit advantageously enables particularly good and flexible adaptation to a changing voltage or current level on the power generation side.
  • the galvanic isolation through the invention is preferable for another reason, particularly in alkaline electrolysis applications that are operated on the basis of alkaline electrolysis.
  • the galvanic isolation advantageously reduces the ground and stray currents caused by electrolysis. The reason for this is that the earth loop cannot be closed.
  • the galvanic isolation also advantageously separates the current loop through the earth.
  • the secondary side of the transformer in the AC intermediate circuit is preferably not grounded.
  • the voltage on the input side of the AC intermediate circuit is preferably chosen to be higher than required for electrolysis operation. This reduces losses or reduces the required cross-section of copper or aluminum cables, which saves costs and allows larger cable distances to be overcome - for example from the tower of a wind turbine that is around 100 m high down to the electrolysis plant.
  • the rectifier is controllable and/or designed as a three-phase rectifier, in particular as a B6 bridge rectifier.
  • a controllability of the rectifier or rectifiers which are advantageously designed as a three-phase rectifier or as a B6 bridge rectifier, makes it possible to adjust the total current generated via the rectifier or rectifiers and thus, for example, to control the operation of an electrolyzer connected to the circuit arrangement.
  • the alternating current frequency in the circuit arrangement can be set to a predetermined value.
  • the circuit arrangement is designed for an alternating current frequency that is greater than the usual network frequencies of 50 Hz to 60 Hz in public networks. It is advisable to use high frequencies here, as this allows the size and weight of the transformer as well as the use of materials to be reduced. This aspect is particularly advantageous when the electrolysis system is connected directly to a wind turbine.
  • the transformer can be accommodated, for example, in the nacelle of the wind turbine or in the floor of the tower of the wind turbine.
  • the circuit arrangement as a whole can also be arranged there.
  • the electrolysis system can therefore be located in the immediate vicinity of the wind turbine, for example, so that short cable routes are possible for the connection.
  • the circuit arrangement is designed for an alternating current frequency of 500 Hz to 50 kHz, in particular 10 kHz to 30 kHz.
  • This frequency refers to the frequency of the inverter and rectifier connected to the transformer.
  • a high-frequency intermediate circuit transformer is provided as a transformer.
  • a transmission ratio or a voltage swing of less than 10, in particular between 1, is preferred for the transformer. 5 and 7. 5, discontinued. This is flexible to the requirements of the electrolyzer or Can be adjusted to the desired voltage level for the electrolysis process.
  • the ratio of the number of turns, or the voltages on the primary and secondary sides, is also referred to as the transmission ratio.
  • the transmission ratio i.e. the number of turns
  • alternating voltages can be transformed using the transformer. both up and down. This makes it possible to adapt the electrolysis.
  • a voltage swing of greater than 10 is also possible, depending on the application and design of the electrolysis system and especially the transformer used.
  • Known electrolysis systems typically operate with a maximum of 1500 V DC, which still corresponds to a low voltage range. However, more than 15 kV direct voltage can be provided and available for a connection to a power generation system. Therefore, an upper limit for the voltage swing can also be selected, preferably up to 70. Then the available connection voltage - for example if the electrolysis system were operated at only 1000 V DC - can be up to around 70 kV. For example, the currently available wind turbines can produce output voltages of 66 kV alternating voltage.
  • the voltage on the side of the power generation system is preferably greater than on the side of the electrolysis system.
  • a further aspect of the invention results from the design of the electrolysis system for a preferred electrical connection of the electrolysis system to an external direct current source, with a renewable energy system being directly electrically connected to the electrolysis system. This creates an integral system network.
  • the system network comprises an electrolysis system and a renewable energy system, which has an output for providing direct current, so that a direct current source is formed by the renewable energy system, the output being electrically connected to the input of the electrolysis system.
  • the renewable energy system in the system network is a wind turbine.
  • the wind turbine further preferably has a rectifier, which is connected on the output side to the input of the circuit arrangement. is electrically connected to the input.
  • the rectifier converts the alternating current from the wind turbine into direct current and at the same time advantageously provides the desired input direct voltage level for connection to the electrolysis system.
  • this rectifier is preferred for coordinated operation with or designed for suitable control of the connected generator.
  • the renewable energy system in the system network is a photovoltaic system.
  • a PV system already provides direct current during operation.
  • the photovoltaic system has a direct current controller or direct voltage converter, which is connected to the input on the output side.
  • DC-DC converter direct current controller
  • a DC-DC converter also called a DC-DC converter, refers to an electrical circuit that converts a DC voltage supplied at the input into a DC voltage with a higher, lower or inverted voltage level.
  • the implementation is carried out using a periodically operating electronic switch and a or multiple energy storage devices.
  • DC-DC converters are self-commutated power converters. In the field of electrical energy technology they are also referred to as direct current controllers.
  • the inductance (inductive converter) used to temporarily store the energy consists of a coil or a converter transformer.
  • Known converter transformers advantageously already provide galvanic isolation, so that their use can be preferred under certain connection conditions and technical circumstances.
  • FIG. 1 shows a system network with an electrolysis system and a wind turbine
  • FIG. 2 shows a system network with an electrolysis system and a photovoltaic system.
  • a system network 100 according to the invention is shown in FIG.
  • the system network 100 includes an electrolysis system 1 and a wind turbine 50A connected to the electrolysis system 1 as a renewable energy system (RE system) and a source for green electricity.
  • the electrolysis system 1 has an electrolyzer 3 and a circuit arrangement 5 which is electrically connected to the electrolyzer 3.
  • the circuit arrangement 5 is connected to the electrolyzer 3 via the output 9.
  • the circuit arrangement has an input 7 via which a direct current can be supplied to the electrolysis system.
  • the supply of direct current from a direct current source takes place via the circuit arrangement 5.
  • the circuit arrangement 5 has an inverter 13, a transformer 11 and a rectifier 15.
  • the circuit arrangement 5 thus provides an AC intermediate circuit in the electrolysis system, through which the input 7 is galvanically decoupled from the output 9.
  • the inverter 13 is connected to the transformer 11 on the primary side.
  • the rectifier 15 is connected to the transformer 13.
  • the electrolyzer 3 is supplied with a direct current, the electrolysis current, via the rectifier 15 of the circuit arrangement 5.
  • the electrolyzer 3 can be designed as a PEM electrolyzer, as an AEM electrolyzer (AEM: anion exchange membrane) or as an alkaline electrolyzer.
  • the electrolysis system 1 is connected directly to the wind turbine 50A.
  • the connection is made via the input 7 of the circuit arrangement 5, which is designed to receive and pass on a direct current to the inverter 13.
  • the wind turbine 50A initially generates an alternating current in the generator.
  • a rectifier 52 is provided, so that the connection is made via this rectifier 52, the rectifier advantageously being an electrical power component of the wind turbine 50A.
  • the rectifier 15 can be regulated according to the current intensity for the electrolysis and is designed as a three-phase rectifier as a B6 bridge rectifier.
  • This has an IGBT (not shown) as a semiconductor component, an insulated gate bipolar transistor. This is a component that is often used in power electronics because it combines the advantages of the bipolar transistor such as good forward behavior, high blocking voltage, robustness and the advantages of a field effect transistor with almost power-free control.
  • IGBTs are the high voltage and current limits, with operating voltages of up to 6500 V and currents of up to 3600 A with an output of up to 100 MW.
  • IGCT i.e. H . an integrated gate-commutated thyristor.
  • IGCTs are used in high-performance power converters. A single module typically switches a few kiloamperes at a typical blocking voltage of 4500 V.
  • the alternating current frequency of the transformer 11 can be flexibly adjusted to a predetermined value.
  • the circuit arrangement 5 is designed for an alternating current frequency that is greater than the usual network frequencies of 50 - 60 Hz of public networks, which is an advantage.
  • AC frequencies from 500 Hz to 50 kHz, in particular from 10 kHz to 30 kHz, can be set, so that the transformer 11 acts as a high-frequency intermediate circuit transformer. In this frequency range, there are significant space advantages for the transformer 15, so that a significantly more compact design with less material usage is possible compared to network transformers.
  • the voltage level on the secondary side in relation to the primary side has a transformation ratio of less than 10, in particular between 1. 5 and 7. 5 set.
  • the circuit arrangement 5 realizes galvanic decoupling via a DC intermediate circuit.
  • the transformer 11 is preferably not grounded at the star point on the primary side. Grounding of the transformer 11 at the star point on the secondary side is also preferably not provided. This avoids high-frequency electrical stray currents during operation, which can couple in via ground loops and affect the electrolyzer 3 with the very sensitive electrolysis cells, since the ohmic losses caused by ground loops can lead to a very disadvantageous voltage drop across the electrolysis cells.
  • the transformer 11 transforms this alternating voltage on the secondary side to a desired voltage level in accordance with the set transmission ratio.
  • the rectifier 15 provides an interference-free or hum-free electrolysis direct voltage at the output 7, with which the electrolyzer 3 is operated stably, with water being broken down into hydrogen and oxygen. Ground loops are avoided.
  • the advantageous direct DC connection of the electrolysis system 1 to the wind turbine 52A makes grid-independent island operation possible and decentralized generation of green electricity onshore or offshore depending on the application.
  • the proportion of green hydrogen is 100%.
  • FIG. 1 an alternative direct current source for supplying the electrolysis system 1 with direct current is shown in FIG.
  • the renewable energy system 50 has a photovoltaic system 50B, with a large number of PV modules, not shown in detail.
  • the photovoltaic system 50B can, for example, be designed as a large-area and powerful open-field system - preferably in sunny regions - so that PV output of 10 MW of electrical power is available for electrolysis.
  • a completely analogous system concept is used as in FIG. 1 and corresponding system components, i.e. H . with a circuit arrangement 5 and with an electrolyzer 3.
  • a DC converter 54 is also referred to as a DC-DC converter, so that the DC voltage supplied to its input from the photovoltaic system 50B is converted into a DC voltage with a higher, lower or inverted voltage level.
  • the implementation takes place with the help of a periodically operating electronic switch and one or more energy storage devices.
  • DC controllers 54 also known as DC-DC converters, are among the self-commutated power converters that play a major role in the field of electrical energy technology.
  • the inductance (inductive converter) used to temporarily store the energy consists of a coil or a converter transformer. By designing it as a converter transformer, galvanic isolation is already achieved.
  • the direct current controller 54 connected to the photovoltaic system 50B is connected on the output side to the input 7 of the circuit arrangement 5, so that a direct connection to the electrolysis system 1 and supply with PV direct current is achieved, the stray currents being effectively suppressed by the galvanic decoupling.
  • the invention provides an electrolysis system 1, by means of which a direct current from a renewable source can be fed directly and trouble-free into the electrolysis system 1, so that 100% green hydrogen can be produced in the electrolysis.
  • This takes place particularly advantageously in the described system network 100 comprising an electrolysis system 1 and a renewable energy system 50, which are directly electrically connected to one another.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) und eine Schaltungsanordnung (5), die einen Eingang (7) zum Anschluss an eine externe Gleichstromquelle sowie einen Ausgang (9) aufweist, der an den Elektrolyseur (3) angeschlossen ist. Die Schaltungsanordnung (5) weist einen Transformator (11) auf, an den primärseitig ein Wechselrichter (13) und sekundärseitig ein Gleichrichter (15) angeschlossen ist, so dass ein Gleichstrom dem Elektrolyseur (3) zuführbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Anlagenverbund (100) umfassend eine Elektrolyseanlage (1) und eine Erneuerbare- Energien-Anlage (50), die direkt an der Elektrolyseanlage (1) angeschlossen ist.

Description

Beschreibung
Elektrolyseanlage und Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage und eine Erneuerbare-Energien-Anlage
Die Erfindung betri f ft eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur und eine Schaltungsanordnung . Die Erfindung betri f ft weiterhin ein Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage und eine an die Elektrolyseanlage angeschlossene Erneuerbare-Energien-Anlage .
Eine Elektrolyseanlage ist eine Vorrichtung, die mit Hil fe von elektrischem Strom eine Stof fumwandlung herbei führt (Elektrolyse ) . Entsprechend der Viel falt an unterschiedlichen elektrochemischen Elektrolyseprozessen gibt es auch eine Viel zahl von Elektrolyseanlagen, wie beispielsweise eine Elektrolyseanlage für eine Wasserelektrolyse .
Wasserstof f wird heutzutage beispielsweise mittels einer Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse oder einer alkalischen Elektrolyse aus Wasser erzeugt . Die Elektrolyseanlagen produzieren mit Hil fe elektrischer Energie Wasserstof f und Sauerstof f aus dem zugeführten Wasser . Dieser Prozess findet in einem Elektrolysestack, zusammengesetzt aus mehreren Elektrolysezellen, statt . In dem unter einer Gleichspannung (DC Spannung) stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht , wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme , bestehend aus Wasser und Gasblasen ( 02 bzw . H2 ) austreten .
Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstof fe zu erzeugen . Ein Wertstof f kann insbesondere Wasserstof f sein, welcher durch Wasser- Elektrolyseanlagen erzeugt wird . Auf Basis von Wasserstof f kann beispielsweise sogenanntes Erneuerbare-Energien-Gas - auch als EE-Gas bezeichnet , hergestellt werden . Ein EE-Gas ist ein brennbares Gas , welches mit Hil fe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird .
Wasserstof f stellt dabei einen besonders umweltfreundlichen und nachhaltigen Energieträger dar . Er hat das einzigartige Potential Energiesysteme , Verkehr und große Teile der Chemie ohne C02-Emissionen zu realisieren . Damit dies gelingt , darf der Wasserstof f allerdings nicht aus fossilen Quellen stammen, sondern muss mit Hil fe von erneuerbaren Energie produziert werden . Inzwischen wird zumindest ein wachsender Anteil des aus erneuerbaren Quellen erzeugten Stroms in das öf fentliche Stromnetz eingespeist . Somit kann entsprechend dem Strommix ein entsprechender Anteil grüner Wasserstof f erzeugt werden, wenn eine Elektrolyseanlage mit Strom aus dem öf fentlichen Netz betrieben wird .
Bei im industriellen Maßstab ausgeführten Elektrolysen wird der Gleichstrom überwiegend über netzgeführte Gleichrichter bereitgestellt . Bei dieser Gleichrichtung einer netzseitigen Wechselspannung können aufgrund der Funktionsweise der Gleichrichter Oberschwingungen entstehen, welche das Wechselstromnetz und/oder das Gleichstromnetz belasten können .
In der EP 3 723 254 Al ist eine derartige Elektrolyseanlage of fenbart , die an das öf fentliche Stromnetz angeschlossen ist und entsprechend mit Netzstrom wird . Hierzu weist die Elektrolyseanlage eine Schaltungsanordnung auf , die vier Spulenanordnungen und vier Gleichrichter umfasst . Die ersten Spulen der Spulenanordnungen sind dabei j eweils mit der Gleichspannungsseite eines der Gleichrichter verbunden . Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin zwei Trans formatoren, welche j eweils eine Primärwicklung sowie zwei Sekundärwicklungen aufweisen . Die Primärwicklungen der Trans formatoren sind mit dem Stromnetz , z . B . einem Mittelspannungsnetz oder einem Hochspannungsnetz , verbunden . Auf diese Weise kann trotz des reduzierten Eisenanteils innerhalb der ersten Spule eine erwünschte Glättung des Gleichstroms , beziehungsweise die Dämpfung der Oberschwingungen erfolgen . Eine Quelle für erneuerbare Energien ergibt sich aus der zunehmenden Windkraftnutzung . Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Of f shore-Windenergieanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren . Heraus fordernd ist allerdings , dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden ist . Die Energie sollte also möglichst verlustfrei zum Verbraucher transportiert werden . Als Transportmedium und Energieträger eignet sich sehr gut Wasserstof f . Dieser kann zum Beispiel durch Pipelines in gas förmiger Form transportiert werden . Ein positiver Nebenaspekt hierbei ist , dass eine Wasserstof f- führende Pipeline gleichzeitig die Funktion eines Energiespeichers erfüllen kann, da der innere Druck in gewisssen Grenzen variiert werden kann .
Aus diesen Überlegungen heraus ist es von besonderem wirtschaftlichen Interesse , den Wasserstof f direkt am Ort der Energiegewinnung, also autark und unabhängig vom öf fentlichen Netz , zu produzieren . Hierzu ist vorgeschlagen, die Elektrolyseanlagen auf Of f shore-Platt formen im maritimen Bereich direkt an Of f shore-Windenergieanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu installieren und mit dem erzeugten Strom elektrisch zu versorgen .
Auch für das Festland wurden solche Konzepte vorschlagen, den Strom aus Onshore-Windkraf tanlagen oder Fotovoltaikanlagen zumindest teilweise durch eine direkte Anbindung an und Einspeisung in eine Elektrolyseanlage unmittelbar für eine Wasserstof f erzeugung zu nutzen . In all diesen Anwendungen ist die Elektrolyseanlage Teil eines Inselnetzes . Der Elektrolysestrom wird also nicht aus dem öf fentlichen Netz bezogen, sondern direkt von einer Windenergieanlage oder einer PV-Anlage geliefert und in einen Elektrolyseur der Elektrolyseanlage eingespeist . Dabei kann möglicherweise noch eine Zwischenspeicherung der von einer Windenergieanlege oder eine PV-Anlage erzeugten elektrischen Energie beispielsweise in einer Batterie erfolgen . Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen netzgeführten Betrieb bringt dies j eweils besondere Heraus forderungen und Probleme hinsichtlich der elektrotechnischen Anbindung und Verschaltung der Elektrolyseanlage mit der j eweilige EE-Erzeugungsanlage mit sich, sei es eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage , insbesondere um einen sicheren und vor allem störungs freien Betrieb der Elektrolysanlage in einem unmittelbaren Anlagenverbund mit der EE-Erzeugungsanlage zu gewährleisten .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , eine Elektrolyseanlage anzugeben, mittels derer Strom aus einer erneuerbaren Quelle direkt und störungs frei in die Elektrolyseanlage einspeisbar ist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur und eine Schaltungsanordnung, die einen Eingang zum Anschluss an eine externe Gleichstromquelle sowie einen Ausgang aufweist , der an den Elektrolyseur angeschlossen ist , wobei die Schaltungsanordnung einen Trans formator aufweist , an den primärseitig ein Wechselrichter und sekundärseitig ein Gleichrichter angeschlossen ist , so dass ein Gleichstrom dem Elektrolyseur zuführbar ist .
Die Erfindung geht bereits von der Erkenntnis aus , dass Elektrolyseanlagen, insbesondere die PEM-Wasserelektrolyse- zellen des Elektrolyseurs , sehr empfindlich gegenüber hochfrequenten elektrischen Streuströmen sind . Diese Streuströme können über Erdverbindungen oder Erdschlüsse in die Elektrolyseanlage einkoppeln . Durch notwendige Anlagenteile wie Prozesstechnik, Gas-Separatoren, Hil fssysteme , wasserführende Versorgungsleitungen usw . einer Elektrolyseanlage ist auf Seiten der Elektrolyse die Verbindung mit der Erde unzureichend (Erdschluss oder Masseschlei fe . ) . Es ist daher einerseits bedeutsam zu vermeiden, dass sich Strompfade über die Erde schließen können, also ein Erdschluss oder Erdschlei fe gebildet ist . Andererseits ist die Einkopplung von elektromagnetischen Störfeldern an sich möglichst zu vermeiden oder zumindest eine Verringerung der Einstreuung . Diese Problematik ist besonders ausgeprägt bei einem direkten An- Schluss einer Elektrolyseanlage an eine DC-Stromquelle , die etwa eine Fotovoltaikanlage oder eine Windenergieanlage bereitgestellt ist .
In diesem komplexen Anlagenverbund aus erneuerbarer Energieerzeugungsanlage und Elektrolyseanlage mit einer EE- Direkteinspeisung des Elektrolysestroms zum Betreiben der Elektrolyse skalieren die nachteiligen Ef fekte einer Erdschlei fe und der Einkopplung elektromagnetischer Wechsel felder in die verwendeten Bauelemente der Leistungselektronik entsprechend . Beispielsweise die weit verbreitete und bevorzugte Verwendung von Bipolartransistoren mit isolierter Gate- Elektrode ( englisch : insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT ) in dem die Elektrolyse mit Hochstrom versorgenden Gleichrichter . Der IGBT ist ein Halbleiterbauelement , das in der Leistungselektronik verwendet wird, da es Vorteile des Bipolartransistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit und die Vorteile eines Feldef fekttransistors durch eine nahezu leistungslose Ansteuerung vereinigt . Etwa in einer so genannten dreiphasigen B6 Brückenschaltung mit einem IGBT-basierten Gleichrichter wird dadurch eine sehr genaue Steuerung des Elektrolysestroms bei guter Gleichrichtung erzielt . Die markanten Vorteile von IGBTs sind die hohen Spannungs- und Stromgrenzen : Spannungen von bis zu 6500 V und Ströme von bis zu 3600 A bei einer Leistung von bis zu 100 MW, was IGBT ' s für den Einsatz in Elektrolyseanlagen prädestiniert .
Mit der Erfindung wird in einer Elektrolyseanlage durch die Schaltungsanordnung ein AC-Zwischenkreis bereitgestellt , der eine galvanische Entkopplung zwischen einer externen Gleichstromquelle und dem Elektrolyseur vorsieht . In dem AC- Zwischenkreis sorgt der Wechselrichter für eine Umwandlung der Gleichspannung aus der externen Gleichstromquelle in eine Wechselspannung, die primärseitig an den Trans formator koppelt . Auf der Sekundärseite des Trans formators ist ein Gleichrichter geschaltet , der für die Rückumwandlung in eine Gleichspannung sorgt , und zwar auf einem für die Elektrolyse gewünschten und vorbestimmten Spannungs- bzw . Stromniveaus . Die Schaltungsanordnung ist daher besonders vorteilhaft als AC-Zwischenkreis ausgestaltet und konzipiert für die Bereitstellung von Gleichstrom durch eine externe Gleichstromquelle zur Versorgung des Elektrolyseurs mit Elektrolysestrom . Dies erfolgt durch direkte Kopplung bzw . direkten Anschluss des Eingangs an eine externe Gleichstromquelle . Als externe Gleichstromquelle ist vorteilhaft eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage an die Elektrolyseanlage anschließbar, die j eweils netzunabhängig in einem so genannten Inselbetrieb sowohl für Of fshore- als auch für Onshore-Anwendungen vorteilhaft ausgestaltet sein können .
Die externe Gleichstromquelle ist direkt und unmittelbar über den Eingang der Schaltungsanordnung anschließbar, so dass eine Gleichstromversorgung des Elektrolyseurs erreicht ist . Durch die galvanische Trennung und Entkopplung über den AC- Zwischenkreis ist mit der Schaltungsanordnung eine schädigende Einstreuung von hochfrequenten Streuströmen sicher vermieden und somit Erdschlussströme und unerwünschte Spannungsverluste in dem Elektrolyseur . Zugleich ist eine einfache und zuverlässige Direktanbindung der Elektrolyseanlage an eine erneuerbare Energieerzeugungsanlage erzielbar und ein netzunabhängiger Betrieb möglich . Durch den AC-Zwischenkreis ist vorteilhafterweise eine besonders gute und flexible Anpassung an ein wechselndes Spannungs- oder Stromniveau auf der Stromerzeugungsseite erreichbar .
Die galvanische Trennung durch die Erfindung ist noch aus einem weiteren Grund zu bevorzugen, insbesondere in alkalischen Elektrolyseanwendungen, die auf Basis einer alkalischen Elektrolyse betrieben werden . Die galvanische Trennung reduziert hier vorteilhaft die Erd- und Streuströme durch die Elektrolyse . Ursache hierfür ist , dass die Erdschlei fe nicht geschlossen werden kann . Durch die galvanische Trennung wird vorteilhaft auch die Stromschlei fe durch die Erde aufgetrennt . Dabei ist in vorzugsweise die Sekundärseite des Trans formators in dem AC-Zwischenkreis nicht geerdet ausgeführt .
Dadurch ist nicht nur ein ef fektiver Schutz vor hochfrequenten Signalanteilen auf der Anschlussleitung von der Stromquelle bewirkt , sondern es werden auch die DC-Streuströme merklich abgesenkt und unterdrückt , da dann wieder eine geschlossene Erdschlei fe besteht .
Dabei wird bevorzugt die Spannung auf der Eingangsseite des AC-Zwischenkreises höher gewählt , als für den Elektrolysebetrieb benötigt . Dies reduziert die Verluste bzw . reduziert den erforderlichen Querschnitt von Kupfer- oder Aluminium- Leitungen, wodurch Kosten eingespart werden und auch größere Leitungsstrecken - beispielsweise vom Turm eines rund 100 m hohen Windrad hinunter zur Elektrolyseanlage überwunden werden können .
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Gleichrichter regelbar und/oder als Dreiphasengleichrichter, insbesondere als B6-Brückengleichrichter , ausgebildet .
Eine Regelbarkeit des oder der Gleichrichter, welche vorteilhaft als Dreiphasengleichrichter beziehungsweise als B6- Brückengleichrichter ausgebildet sind, ermöglicht es , den über den oder die Gleichrichter erzeugten Gesamtstrom einzustellen und somit beispielsweise den Betrieb einer mit der Schaltungsanordnung verbundenen Elektrolyseur zu steuern .
Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Schaltungsanordnung die Wechselstromfrequenz auf einen vorbestimmten Wert einstellbar ist . Durch die Ausgestaltung der Schaltungsanordnung als AC-Zwischenkreise muss dieser nicht an ein öf fentliches Netz angeschlossen werden und man ist damit weitgehend frei in der Wahl der Wechselstromfrequenz im Trans formator . Vorteilhaft wird hier ein Hochfrequenz-Trans formator vorgesehen, so dass von den üblichen Frequenzen in den öf fentlichen Netzen abgewichen werden kann . In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Schaltungsanordnung auf eine Wechselstromfrequenz ausgelegt , die größer ist als die üblichen Netz frequenzen von 50 Hz bis 60 Hz in den öf fentlichen Netzen . Es bietet sich an hier hohe Frequenzen zu verwenden, da dadurch die Baugröße und das Gewicht des Trans formators sowie der Materialeinsatz reduziert werden kann . Dieser Aspekt ist insbesondere bei einem direkten Anschluss der Elektrolyseanlage an eine Windenergieanlage sehr vorteilhaft . Durch die kompaktere Bauweise und das geringere Gewicht bei hoher Betriebs frequenz kann der Trans formator beispielweise in der Gondel der Windenergieanlage untergebracht werden oder im Boden des Turms der Windenergieanlage . Die Schaltungsanordnung insgesamt kann ebenfalls dort angeordnet sein . Somit kann die Elektrolyseanlage beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Windenergieanlage stehen, so dass kurze Leitungswege für den Anschluss möglich sind .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Schaltungsanordnung auf eine Wechselstromfrequenz von 500 Hz bis 50 kHz , insbesondere von 10 kHz bis 30 kHz , ausgelegt . Diese Frequenz betri f ft die Frequenz des Wechselrichters und des Gleichrichters , die an den Trans formator angeschlossen sind . Um die Bauraumvorteile und Kostenvorteile aus zunutzen ist als Transformator ein Hochfrequenz-Zwischenkreistrans formator bereitgestellt .
Weiterhin bevorzugt ist bei dem Trans formator ein Übersetzungsverhältnis oder ein Spannungshub von kleiner als 10 , insbesondere zwischen 1 . 5 und 7 . 5 , eingestellt . Dies ist flexibel an die Anforderungen des Elektrolyseurs bzw . der gewünschten Spannungsebene für den Elektrolyseprozesse anpassbar .
Das Verhältnis von Windungs zahlen, beziehungsweise der primär- und sekundärseitigen Spannungen, wird auch als Übersetzungsverhältnis bezeichnet . Durch geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses , also der Windungs zahlen, können mit dem Trans formator Wechselspannungen sowohl hochtrans formiert wer- den als auch heruntertrans formiert werden . Dadurch ist eine Anpassung mit Blick auf die Elektrolyse möglich .
Es ist aber auch ein Spannungshub von größer als 10 möglich, j e nach Anwendung und Auslegung der Elektrolyseanlage und speziell des eingesetzten Trans formators . Bekannte Elektrolyseanlagen arbeiten typischerweise mit maximal 1500 V Gleichspannung betrieben, was noch ein Niederspannungsbereich entspricht . Für eine Anbindung an eine Stromerzeugungsanlage können aber durchaus mehr als 15 kV Gleichspannung vorgesehen sein und zur Verfügung stehen . Daher kann eine obere Grenze für den Spannungshub auch bis zu bevorzugt 70 gewählt werden . Dann kann die verfügbare Anschlussspannung - etwa sofern die Elektrolyseanlage bei nur 1000 V Gleichspannung betrieben würde - bis zu rund 70 kV betragen . Bei den derzeit verfügbaren Windenergieanlagen können beispielsweise Ausgangsspannungen von 66 kV Wechselspannung abgehen .
Bevorzugt ist die Spannung auf der Seite der Stromerzeugungsanlage größer als auf der Seite der Elektrolyseanlage .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ergibt sich aus der Ausgestaltung der Elektrolyseanlage für einen bevorzugten elektrischen Anschluss der Elektrolyseanlage an eine externe Gleichstromquelle , wobei eine Erneuerbare-Energien-Anlage mit der Elektrolyseanlage direkt elektrisch verbunden ist . Hierdurch ist ein integraler Anlagenverbund gegeben .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst der Anlagenverbund eine Elektrolyseanlage und eine Erneuerbare-Energien- Anlage , die einen Ausgang zur Bereitstellung von Gleichstrom aufweist , so dass durch die erneuerbare Energien Anlage eine Gleichstromquelle gebildet ist , wobei der Ausgang an den Eingang der Elektrolyseanlage elektrisch angeschlossen ist .
Hierdurch ist ein vom öf fentlichen Netz unabhängiger Inselnetzbetrieb in dem Anlagenverbund möglich, und eine unmittelbare Nutzung von Strom ausschließlich aus erneuerbaren Quel- len für die Elektrolyse , so dass grüner Wasserstof f gebildet ist .
Vorzugsweise ist in dem Anlagenverbund die Erneuerbare- Energien-Anlage eine Windenergieanlage . Dabei weist weiter bevorzugt die Windenergieanlage einen Gleichrichter auf , der ausgangsseitig an den Eingang der Schaltungsanordnung angeschlossen bzw . mit dem Eingang elektrisch verbunden ist . Der Gleichrichter wandelt dabei den Wechselstrom aus der Windenergieanlage in einen Gleichstrom um und stellt zugleich vorteilhaft die gewünschte Eingangs-Gleichspannungsebene für den Anschluss an die Elektrolyseanlage bereit . Zudem ist dieser Gleichrichter bevorzugt für einen abgestimmten Betrieb mit bzw . für eine geeignete Steuerung des angeschlossenen Generators ausgelegt .
In einer alternativen Ausgestaltung ist es vorzugsweise auch möglich, dass in dem Anlagenverbund die Erneuerbare-Energien- Anlage eine Fotovoltaikanlage ist . Eine PV-Anlage stellt im Betrieb bereits einen Gleichstrom zur Verfügung . Es ist aber vorzugsweise vorgesehen, dass in dem Anlagenverbund die Fotovoltaikanlage einen Gleichstromsteller oder Gleichspannungswandler aufweist , der ausgangsseitig an den Eingang angeschlossen ist . Dabei ist es auch möglich, dass bei einem derartiger Gleichstromsteller ( DC-DC-Wandler ) einer Fotovoltaikanlage bereits selbst eine galvanische Trennung vorgesehen und integriert ist . Dann ist bevorzugt nur noch ein weiterer nachgelagerter Gleichstromsteller ( DC-DC-Wandler ) erforderlich, um die Spannung für Elektrolyseanlagen einzustellen und auf das gewünschte Gleichstromniveau für die Elektrolyse zu bringen .
Ein Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt , englisch DC-DC Converter, bezeichnet eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt . Die Umsetzung erfolgt mithil fe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher . Gleichspannungswandler zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern . Im Bereich der elektrischen Energietechnik werden sie auch als Gleichstromsteller bezeichnet . Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität ( induktiver Wandler ) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Trans formator . Bekannte Wandler- Trans formatoren stellen dabei vorteilhaft bereits eine galvanische Trennung bereit , so dass deren Verwendung bei bestimmten Anschlussbedingungen und technischen Gegebenheiten bevorzugt sein kann .
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrolyseanlage der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlagenverbunds anzusehen und umgekehrt .
Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Aus führungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen .
Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage und einer Windenergieanlage ;
FIG 2 einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage und einer Fotovoltaikanlage .
Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung . In FIG 1 ist ein Anlagenverbund 100 gemäß der Erfindung dargestellt . Der Anlagenverbund 100 umfasst eine Elektrolyseanlage 1 und eine an die Elektrolyseanlage 1 angeschlossene Windenergieanlage 50A als Erneuerbare-Energie-Anlage (EE- Anlage ) und Quelle für grünen Strom . Die Elektrolyseanlage 1 weist einen Elektrolyseur 3 und eine Schaltungsanordnung 5 auf , die mit dem Elektrolyseur 3 elektrisch verbunden ist . Der Anschluss der Schaltungsanordnung 5 an den Elektrolyseur 3 erfolgt über den Ausgang 9 . Weiterhin weist die Schaltungsanordnung einen Eingang 7 auf , über den ein Gleichstrom der Elektrolyseanlage zuführbar ist . Die Zufuhr von Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle erfolgt über die Schaltungsanordnung 5 . Die Schaltungsanordnung 5 weist hierzu einen Wechselrichter 13 , einen Trans formator 11 und einen Gleichrichter 15 auf . Mit der Schaltungsanordnung 5 ist somit in der Elektrolyseanlage ein AC-Zwischenkreis bereitgestellt , durch den der Eingang 7 von dem Ausgang 9 galvanisch entkoppelt ist . Primärseitig ist an den Trans formator 11 der Wechselrichter 13 geschaltet . Sekundärseitig ist an den Trans formator 13 der Gleichrichter 15 geschaltet . Über den Gleichrichter 15 der Schaltungsanordnung 5 wird der Elektrolyseur 3 mit einem Gleichstrom, dem Elektrolysestrom versorgt . Der Elektrolyseur 3 kann als PEM-Elektrolyseur , als AEM-Elektrolyseur (AEM : An- ion-Exchange-Membran) oder als alkalischer Elektrolyseur ausgestaltet sein .
Zur Versorgung mit Gleichstrom für den Elektrolyseprozess ist die Elektrolyseanlage 1 direkt an die Windenergieanlage 50A angeschlossen . Der Anschluss erfolgt über den Eingang 7 der Schaltungsanordnung 5 , der für die Aufnahme und Weitergabe eines Gleichstroms an den Wechselrichter 13 ausgelegt ist .
Die Windenergieanlage 50A erzeugt zunächst einen Wechselstrom im Generator . Um einen Gleichstrom an die Elektrolyseanlage 1 übergeben zu können, ist ein Gleichrichter 52 vorgesehen, so dass der Anschluss über diesen Gleichrichter 52 erfolgt , wobei der Gleichrichter vorteilhaft ein elektrisches Leistungsbauteil der Windenergieanlage 50A ist . Für eine Variierung der Spannung bzw . der Stromstärke für die Elektrolyse ist der Gleichrichter 15 regelbar und als Dreiphasengleichrichter als B6-Brückengleichrichter ausgebildet . Dieser weist einen nicht näher dargestellten IGBT als Halbleiterbauelement auf , einen Insulated-Gate-Bipolar- Transistor . Die ist ein in der Leistungselektronik gerne verwendetes Bauteil , da es Vorteile des Bipolartransistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit und die Vorteile eines Feldef fekttransistors mit einer nahezu leistungslosen Ansteuerung vereinigt . Die markanten Vorteile von IGBTs sind die hohen Spannungs- und Stromgrenzen mit Betriebsspannungen von bis zu 6500 V und Strömen von bis zu 3600 A bei einer Leistung von bis zu 100 MW . Dadurch ist der IGBT in dem Gleichrichter 15 für den Arbeitsbereich des Elektrolyseurs 3 ideal einsetzbar . Denkbar ist j e nach Anwendung auch die Verwendung eines so genannten IGCT , d . h . eines integrated gate-commutated thyristors . Dieser weist einen verringerten Beschaltungsaufwand, eine Erhöhung der maximalen Puls frequenzen zur Ansteuerung sowie bessere Schaltzeiten bei Reihenschaltung auf , was vorteilhaft ist . Das Einsatzgebiet von IGCTs sind Stromrichter hoher Leistung . Ein einzelnes Modul schaltet dabei typischerweise einige Kiloampere bei einer typischen Sperrspannung von 4500 V .
In der Schaltungsanordnung 5 ist die Wechselstromfrequenz des Trans formators 11 auf einen vorbestimmten Wert flexibel einstellbar . Im Beispiel ist die Schaltungsanordnung 5 auf eine Wechselstromfrequenz ausgelegt , die größer ist als die üblichen Netz frequenzen von 50 - 60 Hz von öf fentlichen Netzen, was von Vorteil ist . Es sind Wechselstromfrequenzen von 500 Hz bis 50 kHz , insbesondere von 10 kHz bis 30 kHz , einstellbar, so dass der Trans formator 11 als ein Hochfrequenz- Zwischenkreistrans formator wirkt . In diesem Frequenzbereich ergeben sich erhebliche Bauraumvorteile für den Trans formator 15 , so dass gegenüber Netztrans formatoren eine deutlich kompaktere Bauweise mit geringerem Materialeinsatz möglich ist . Hierbei ist bei dem Trans formator 11 für die Spannungsebene auf der Sekundärseite in Bezug auf die Primärseite ein Übersetzungsverhältnis von kleiner als 10 , insbesondere zwischen 1 . 5 und 7 . 5 eingestellt . Übersetzungsverhältnisse von größer als 10 und bis zu 70 sind aber möglich . Durch die Schaltungsanordnung 5 ist eine galvanische Entkopplung über einen DC- Zwischenkreis realisiert . Dabei ist der Trans formator 11 am primärseitigen Sternpunkt bevorzugt nicht geerdet . Auch eine Erdung des Trans formator 11 am sekundärseitigen Sternpunkt ist weiter bevorzugt nicht vorgesehen . Hierdurch sind im Betrieb hochfrequente elektrische Streuströme vermieden, die über Erdschlei fen einkoppeln können und den Elektrolyseur 3 mit den sehr empfindlichen Elektrolysezellen beeinträchtigen, da die ohmschen Verluste durch Erdschlei fen zu einem sehr nachteiligen Spannungsabfall über den Elektrolysezellen führen können .
Auch alle anderen Streuströme gegen Erde im Bereich der Elektrolyse selbst , vor allem auch die 0 Hz DC-Streuströme sind vermieden . Das reduziert besonders die Korrosion in der so genannten Verfahrenstechnik und in den empfindlichen Hil fssystemen der Elektrolyseanlage 1 und steigert die Lebensdauer der Elektrolyse-Module und Elektrolysezellen .
Je geringer der elektrische Widerstand der Masseverbindung zwischen den beteiligten Komponenten, desto geringer der Po- tentialunterschied und der Störstrom . Erreicht wird dies konventionell durch Kabel- und Steckverbindungen mit geringem Widerstand, bzw . einem hohen Querschnitt der Schirme , geringer Kontakt-Übergangswiderstand und durch die hier beschriebene vorteilhafte galvanische Entkopplung .
Im Betrieb des Anlagenverbunds 100 wird grüner Strom in Windenergieanlage 50A erzeugt . Der im Generator erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter 52 in einen Gleichstrom umgewandelt . Hierdurch ist durch die Erneuerbare-Energie-Anlage 50 - am Beispiel der Windenergieanlage 50A - eine Gleichstromquelle bereitgestellt , so dass über einen Ausgang des Gleichrich- ters 52 ein Gleichstrom direkt in den Eingang 7 der Elektrolyseanlage 1 eingespeist und zunächst an die Schaltungsanordnung 5 übergeben wird . In der Schaltungsanordnung 5 wird eine galvanische Trennung der Stromkreise durch den Trans formator 11 durchgeführt , so dass Streuströme unterdrückt oder vermieden sind . Zunächst erfolgt auf der Primärseite des Trans formators 11 eine Umwandlung in eine Wechselspannung . Der Transformator 11 trans formiert diese Wechselspannung sekundärseitig auf ein gewünschtes Spannungsniveau entsprechend dem eingestellten Übersetzungsverhältnis . Durch den Gleichrichter 15 wird ausgangseitig am Ausgang 7 eine störungs freie oder brummfreie Elektrolyse-Gleichspannung bereitgestellt , mit der der Elektrolyseur 3 stabil betrieben wird, wobei Wasser in Wasserstof f und Sauerstof f zerlegt wird . Erdschlei fen sind vermieden . Durch den vorteilhaften direkten DC-Abschluss des Elektrolyseanlage 1 an die Windenergieanlage 52A ist ein netzunabhängiger Inselbetrieb möglich und eine dezentrale Erzeugung von grünem Strom Onshore- oder Of fshore j e nach Anwendung . Der Anteil von grünem Wasserstof f ist 100% .
In einem weiteren Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anlagenverbunds 100 ist in FIG 2 eine alternative Gleichstromquelle zur Versorgung der Elektrolyseanlage 1 mit Gleichstrom gezeigt . Hierbei weist die Erneuerbare-Energien- Anlage 50 eine Fotovoltaikanlage 50B auf , mit einer Viel zahl nicht näher dargestellter PV-Module . Die Fotovoltaikanlage 50B kann beispielsweise als groß flächige und leistungs fähige Frei feldanlage - bevorzugt in sonnenreichen Regionen - ausgestaltet sein, so dass PV-Leistungen von 10 MW elektrischer Leistung für die Elektrolyse zur Verfügung stehen . Auf Seiten der Elektrolyseanlage 1 ist ein völlig analoges Anlagenkonzept wie in FIG 1 angewendet und entsprechende Anlagenkomponenten, d . h . mit einer Schaltungsanordnung 5 und mit einem Elektrolyseur 3 .
Um auf eine gewünschte und vorteilhafte Spannungsebene für den Anschluss an die Elektrolyseanlage 1 zu kommen, ist in dem Beispiel der FIG 2 an die Fotovoltaikanlage 50B ein Gleichstromsteller 54 angeschlossen . Ein Gleichstromsteller 54 wird auch als DC-DC-Wandler bezeichnet , so dass die an dessen Eingang aus der Fotovoltaikanlage 50B zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt wird . Die Umsetzung erfolgt mithil fe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher . Gleichstromsteller 54 oder auch als Gleichspannungswandler bezeichnet , zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern, die im Bereich der elektrischen Energietechnik eine große Rolle spielen . Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität ( induktiver Wandler ) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Trans formator . Durch eine Ausgestaltung als Wandler-Trans formator ist bereits eine galvanische Trennung realisiert .
Der an die Fotovoltaikanlage 50B angeschlossene Gleichstromsteller 54 ist ausgangsseitig an den Eingang 7 der Schaltungsanordnung 5 angeschlossen, so dass ein direkter Anschluss an die Elektrolyseanlage 1 und Versorgung mit PV- Gleichstrom erzielt ist , wobei durch die galvanische Entkopplung die Streuströme wirkungsvoll unterdrückt werden .
Mit der Erfindung ist eine Elektrolyseanlage 1 angegeben, mittels derer ein Gleichstrom aus einer erneuerbaren Quelle direkt und störungs frei in die Elektrolyseanlage 1 einspeisbar ist , so dass 100% grüner Wasserstof f in der Elektrolyse erzeugbar ist . Dies erfolgt besonders vorteilhaft in dem beschriebenen Anlagenverbund 100 umfassend eine Elektrolyseanlage 1 und eine Erneuerbare-Energien-Anlage 50 , die direkt miteinander elektrisch verbunden sind .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) und eine Schaltungsanordnung (5) , die einen Eingang (7) zum Anschluss an eine externe Gleichstromquelle sowie einen Ausgang (9) aufweist, der an den Elektrolyseur (3) angeschlossen ist, wobei die Schaltungsanordnung (5) einen Transformator (11) aufweist, an den primärseitig ein Wechselrichter (13) und sekundärseitig ein Gleichrichter (15) angeschlossen ist, so dass ein Gleichstrom dem Elektrolyseur (3) zuführbar ist.
2. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 1, bei der der Gleichrichter (15) regelbar und/oder als Dreiphasengleichrichter, insbesondere als B6-Brückengleichrichter , ausgebildet ist.
3. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der in der Schaltungsanordnung (5) die Wechselstromfrequenz auf einen vorbestimmten Wert einstellbar ist.
4. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schaltungsanordnung (5) auf eine Wechselstromfrequenz ausgelegt ist, die größer ist als die üblichen Netzfrequenzen von 50 - 60 Hz von öffentlichen Netzen.
5. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schaltungsanordnung (5) auf eine Wechselstromfrequenz von 500 Hz bis 50 kHz, insbesondere von 10 kHz bis 30 kHz, ausgelegt ist.
6. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Transformator (11) ein Übersetzungsverhältnis von kleiner als 10, insbesondere zwischen 1.5 und 7.5, aufweist.
7. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Transformator (11) an seinem primärseitigen Sternpunkt nicht geerdet ist.
8. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Transformator (11) an seinem sekundärseitigen Sternpunkt nicht geerdet ist.
9. Anlagenverbund (100) umfassend eine Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Erneuerbare- Energien-Anlage (50) , die einen Ausgang zur Bereitstellung von Gleichstrom aufweist, so dass durch die Erneuerbare- Energien-Anlage (50) eine Gleichstromquelle gebildet ist, wobei der Ausgang an den Eingang (7) der Elektrolyseanlage (1) angeschlossen ist.
10. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 9, bei der die Erneu- erbare-Energien-Anlage (50) eine Windenergieanlage (50A) aufweist.
11. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 10, bei der die Windenergieanlage einen Gleichrichter (52) aufweist, der ausgangsseitig an den Eingang (7) angeschlossen ist.
12. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 9, bei der die Erneu- erbare-Energien-Anlage (50) eine Fotovoltaikanlage (50B) aufweist.
13. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 12, bei der die Fotovoltaikanlage (50B) einen Gleichstromsteller (54) aufweist, der ausgangsseitig an den Eingang (7) angeschlossen ist.
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